论文摘要
无线传感器网络是一种通过组织大量具备感知、计算和无线通信能力的微型传感器节点协作地对物理区域中的事件进行监测和数据采集的新型网络，其逐渐展现出了巨大的应用前景。无线传感器网络的特点是节点硬件资源受限、网络规模巨大、拓扑动态变化、网络自组织和以数据为中心，而节能和延长网络生命周期是无线传感器网络研究的中心议题。层次型拓扑控制算法在满足网络覆盖度和连通度的前提下，通过选择部分节点处于工作状态并同时让剩余节点进入休眠状态，形成一个优化的数据转发结构，从而达到提高网络性能和降低网络能耗的目的。层次型拓扑控制算法主要分为两类：连通型和覆盖型。本文对传感器网络层次型拓扑控制算法及其相关问题进行了研究：首先，本文提出了一种新颖的连通型层次拓扑控制算法：基于可连Cell的拓扑控制算法（CCTC）。通过分析当前基于Cell的层次型拓扑控制算法的局限性，本文首先提出了1-con方法：当一个Cell的头节点被加入当前骨干网时，所有其可以连接的Cell使用该节点连入拓扑结构，而该新骨干网以分布式递归的方式继续扩大。然后，本文基于1-con思想设计了CCTC，并从理论上证明了CCTC不仅可以保证其所形成的拓扑结构维持网络连通，而且每一轮用于形成骨干网的工作节点很少，因此显著降低了网络工作能耗。CCTC的计算复杂度是线性的，空间复杂度和信息交换量为常数量级，非常适合传感器网络使用。实验结果同样表明，CCTC可以在提供良好鲁棒性和较少的消息交换量的情况下，更有效地节省节点能耗并延长网络生命周期。其次，本文研究了传感器网络及普通节点，应当基于什么标准来进行连通型拓扑控制方式或覆盖型拓扑控制方式的选择的问题。当前，这两类拓扑算法的研究主要集中于如何优化各自的网络节能效果和算法复杂度，但是对于何时该选用连通型或覆盖型拓扑控制算法并没有理论上的分析。本文通过分析发现：随着物理事件发生频率的增长，采用覆盖型的方式比连通型的方式更加节能，反之亦然。通过定义物理事件发生密度ρe——单位时间单位面积的物理事件发生次数，本文首先在物理事件均匀分布的前提下推导出阈值ρe*，即如果物理事件的发生密度ρe≥ρe*，网络应当选用覆盖型算法，否则选用连通型算法；进而，本文得出普通节点的行为决策标准k*，即如果其在一个周期T内，感应到物理事件e的总次数k满足k≥k*，那么它就参与工作节点集合的覆盖算法，反之则休眠。仿真实验验证了本文分析的理论结果在拓扑控制算法的选择和节点的行为决策中具有一定指导意义。基于以上理论结果，本文提出了一种基于Cell以感知质量（QoSE）为中心的无线传感器网络拓扑控制算法（CQCTC），该算法在连通型和覆盖型两类算法中取得了一个平衡。本文首先提出了感知质量（QoSE）的概念——感知质量由节点感知到物理事件的频率和信号强度共同决定；普通节点通过对自己在下一个周期QoSE的预测结果来判断自己是否可以成为合法的候选工作节点，接下来每个Cell的头节点（CH）收集QoSE合法节点的覆盖情况，并选择一个优化子集来覆盖物理事件高发区域同时让剩余节点睡眠。通过仿真实验发现，CQCTC算法改善了连通型拓扑控制算法和覆盖型拓扑控制算法各自的缺点，允许传感器网络根据目标／事件的分布范围和发生频率动态调整拓扑结构，从而降低了每轮的工作能耗而且提高的数据准确率。最后，本文研究了异构传感器网络的QoS路由算法。因为对于连续型查询或者快照查询的应用，用户可能对于关键数据的传输设定定量的延迟约束，本文针对该应用在异构网络模型中提出了满足并行查询延迟约束的最小能耗路由问题，并设计了一种分布式层次型路由协议。本文通过理论分析证明了该协议的正确性和无环性，而实验结果也表明该协议可以在满足延迟约束的条件下，比LEACH协议节省能耗3～8倍。